Vă mulțumim că ați vizitat Nature.com.Utilizați o versiune de browser cu suport limitat pentru CSS.Pentru cea mai bună experiență, vă recomandăm să utilizați un browser actualizat (sau să dezactivați Modul de compatibilitate în Internet Explorer).În plus, pentru a asigura suport continuu, arătăm site-ul fără stiluri și JavaScript.
Afișează un carusel de trei diapozitive simultan.Utilizați butoanele Anterior și Următorul pentru a vă deplasa prin trei diapozitive simultan sau utilizați butoanele glisante de la sfârșit pentru a vă deplasa prin trei diapozitive simultan.
Odată cu dezvoltarea de noi materiale ultra-moale pentru dispozitive medicale și aplicații biomedicale, caracterizarea cuprinzătoare a proprietăților lor fizice și mecanice este atât importantă, cât și provocatoare.A fost aplicată o tehnică de nanoindentare a microscopiei cu forță atomică modificată (AFM) pentru a caracteriza modulul de suprafață extrem de scăzut al noii lentile de contact cu hidrogel de silicon biomimetic lehfilcon A acoperită cu un strat de structuri de perie polimerică ramificată.Această metodă permite determinarea precisă a punctelor de contact fără efectele extrudării vâscoase atunci când se apropie de polimeri ramificați.În plus, face posibilă determinarea caracteristicilor mecanice ale elementelor individuale ale periei fără efectul poroelasticității.Acest lucru se realizează prin selectarea unei sonde AFM cu un design (dimensiunea vârfului, geometria și viteza arcului) care este deosebit de potrivit pentru măsurarea proprietăților materialelor moi și a probelor biologice.Această metodă îmbunătățește sensibilitatea și acuratețea pentru măsurarea precisă a materialului foarte moale lehfilcon A, care are un modul de elasticitate extrem de scăzut pe suprafață (până la 2 kPa) și o elasticitate extrem de ridicată în mediul apos intern (aproape 100%). .Rezultatele studiului de suprafață nu numai că au dezvăluit proprietățile suprafeței ultra-moale ale lentilei lehfilcon A, dar au arătat și că modulul periilor polimerice ramificate a fost comparabil cu cel al substratului de siliciu-hidrogen.Această tehnică de caracterizare a suprafeței poate fi aplicată și altor materiale ultra-moale și dispozitive medicale.
Proprietățile mecanice ale materialelor concepute pentru contactul direct cu țesutul viu sunt adesea determinate de mediul biologic.Potrivirea perfectă a acestor proprietăți ale materialelor ajută la atingerea caracteristicilor clinice dorite ale materialului fără a provoca răspunsuri celulare adverse1,2,3.Pentru materiale omogene în vrac, caracterizarea proprietăților mecanice este relativ ușoară datorită disponibilității procedurilor standard și a metodelor de testare (de exemplu, microindentarea4,5,6).Cu toate acestea, pentru materialele ultra-moale, cum ar fi geluri, hidrogeluri, biopolimeri, celule vii etc., aceste metode de testare nu sunt în general aplicabile din cauza limitărilor rezoluției măsurătorilor și a neomogenității unor materiale7.De-a lungul anilor, metodele tradiționale de indentare au fost modificate și adaptate pentru a caracteriza o gamă largă de materiale moi, dar multe metode suferă încă de neajunsuri grave care limitează utilizarea lor8,9,10,11,12,13.Lipsa metodelor de testare specializate care să poată caracteriza cu acuratețe și fiabil proprietățile mecanice ale materialelor supersoft și ale straturilor de suprafață limitează sever utilizarea acestora în diverse aplicații.
În munca noastră anterioară, am introdus lentila de contact lehfilcon A (CL), un material moale eterogen cu toate proprietățile de suprafață ultra-moale derivate din modele potențial biomimetice inspirate de suprafața corneei ochiului.Acest biomaterial a fost dezvoltat prin grefarea unui strat de polimer ramificat, reticulat de poli(2-metacriloiloxietilfosforilcolină (MPC)) (PMPC) pe un hidrogel siliconic (SiHy) 15 conceput pentru dispozitive medicale bazate pe.Acest proces de altoire creează un strat pe suprafață format dintr-o structură de pensulă polimerică ramificată foarte moale și foarte elastică.Lucrările noastre anterioare au confirmat că structura biomimetică a lehfilcon A CL oferă proprietăți superioare de suprafață, cum ar fi prevenirea îmbunătățită a umezirii și a murdării, lubrifiere crescută și aderență celulară și bacteriană redusă15,16.În plus, utilizarea și dezvoltarea acestui material biomimetic sugerează, de asemenea, extinderea în continuare la alte dispozitive biomedicale.Prin urmare, este esențial să se caracterizeze proprietățile de suprafață ale acestui material ultra-moale și să se înțeleagă interacțiunea sa mecanică cu ochiul pentru a crea o bază de cunoștințe cuprinzătoare pentru a sprijini dezvoltările și aplicațiile viitoare.Cele mai multe lentile de contact SiHy disponibile comercial sunt compuse dintr-un amestec omogen de polimeri hidrofili și hidrofobi care formează o structură materială uniformă17.Au fost efectuate mai multe studii pentru a investiga proprietățile lor mecanice folosind metode tradiționale de testare la compresie, tracțiune și microindentație18,19,20,21.Cu toate acestea, noul design biomimetic al lehfilcon A CL îl face un material eterogen unic în care proprietățile mecanice ale structurilor de perie polimerică ramificată diferă semnificativ de cele ale substratului de bază SiHy.Prin urmare, este foarte dificil să cuantificăm cu precizie aceste proprietăți folosind metode convenționale și de indentare.O metodă promițătoare folosește metoda de testare a nanoindentației implementată în microscopia cu forță atomică (AFM), o metodă care a fost utilizată pentru a determina proprietățile mecanice ale materialelor viscoelastice moi, cum ar fi celulele și țesuturile biologice, precum și polimerii moi22,23,24,25. .,26,27,28,29,30.În nanoindentarea AFM, elementele fundamentale ale testării nanoindentației sunt combinate cu cele mai recente progrese în tehnologia AFM pentru a oferi o sensibilitate crescută de măsurare și testare a unei game largi de materiale inerent supersoft31,32,33,34,35,36.În plus, tehnologia oferă și alte avantaje importante prin utilizarea diferitelor geometrii.indentor și sonda și posibilitatea de testare în diverse medii lichide.
Nanoindentarea AFM poate fi împărțită condiționat în trei componente principale: (1) echipamente (senzori, detectoare, sonde etc.);(2) parametrii de măsurare (cum ar fi forța, deplasarea, viteza, dimensiunea rampei etc.);(3) Prelucrarea datelor (corectarea liniei de bază, estimarea punctului de atingere, adaptarea datelor, modelare etc.).O problemă semnificativă cu această metodă este că mai multe studii din literatură care utilizează nanoindentarea AFM raportează rezultate cantitative foarte diferite pentru același tip de probă/celulă/material37,38,39,40,41.De exemplu, Lekka et al.Influența geometriei sondei AFM asupra modulului Young măsurat al probelor de hidrogel omogene mecanic și celule eterogene a fost studiată și comparată.Ei raportează că valorile modulului depind foarte mult de selecția cantilever și de forma vârfului, cu cea mai mare valoare pentru o sondă în formă de piramidă și cea mai mică valoare de 42 pentru o sondă sferică.În mod similar, Selhuber-Unkel și colab.S-a arătat cum viteza indentorului, dimensiunea indentorului și grosimea probelor de poliacrilamidă (PAAM) afectează modulul Young măsurat prin nanoindentarea ACM43.Un alt factor de complicare este lipsa materialelor standard de testare cu modul extrem de scăzut și a procedurilor de testare gratuite.Acest lucru face foarte dificil să obțineți rezultate precise cu încredere.Cu toate acestea, metoda este foarte utilă pentru măsurători relative și evaluări comparative între tipuri similare de mostre, de exemplu folosind nanoindentarea AFM pentru a distinge celulele normale de celulele canceroase 44, 45 .
Când se testează materiale moi cu nanoindentație AFM, o regulă generală este să se folosească o sondă cu o constantă scăzută a arcului (k) care se potrivește îndeaproape cu modulul eșantionului și un vârf emisferic/rotund, astfel încât prima sondă să nu străpungă suprafețele probei pe primul contact cu materiale moi.De asemenea, este important ca semnalul de deviere generat de sondă să fie suficient de puternic pentru a fi detectat de sistemul detector laser24,34,46,47.În cazul celulelor, țesuturilor și gelurilor eterogene ultra-moale, o altă provocare este depășirea forței de adeziv dintre sondă și suprafața probei pentru a asigura măsurători reproductibile și fiabile48,49,50.Până de curând, majoritatea lucrărilor privind nanoindentarea AFM s-au concentrat pe studiul comportamentului mecanic al celulelor biologice, țesuturilor, gelurilor, hidrogelurilor și biomoleculelor folosind sonde sferice relativ mari, denumite în mod obișnuit sonde coloidale (CP)., 47, 51, 52, 53, 54, 55. Aceste vârfuri au o rază de la 1 la 50 µm și sunt fabricate în mod obișnuit din sticlă borosilicată, polimetil metacrilat (PMMA), polistiren (PS), dioxid de siliciu (SiO2) și diamant. precum carbonul (DLC).Deși nanoindentarea CP-AFM este adesea prima alegere pentru caracterizarea probelor moi, are propriile probleme și limitări.Utilizarea vârfurilor sferice mari, de dimensiuni micronice, mărește suprafața totală de contact a vârfului cu proba și are ca rezultat o pierdere semnificativă a rezoluției spațiale.Pentru specimenele moi, neomogene, unde proprietățile mecanice ale elementelor locale pot diferi semnificativ de media pe o zonă mai largă, indentarea CP poate ascunde orice neomogenitate în proprietăți la scară locală52.Sondele coloidale sunt realizate în mod obișnuit prin atașarea sferelor coloidale de dimensiunea micronului la consolele fără vârf folosind adezivi epoxidici.Procesul de fabricație în sine este plin de multe probleme și poate duce la inconsecvențe în procesul de calibrare a sondei.În plus, dimensiunea și masa particulelor coloidale afectează în mod direct principalii parametri de calibrare ai consolei, cum ar fi frecvența de rezonanță, rigiditatea arcului și sensibilitatea la deformare56,57,58.Astfel, metodele utilizate în mod obișnuit pentru sondele AFM convenționale, cum ar fi calibrarea temperaturii, pot să nu ofere o calibrare precisă pentru CP, iar alte metode pot fi necesare pentru a efectua aceste corecții57, 59, 60, 61. studiază proprietățile probelor moi, ceea ce creează o altă problemă la calibrarea comportamentului neliniar al consolei la abateri relativ mari62,63,64.Metodele moderne de indentare a sondei coloidale iau în considerare de obicei geometria cantileverului utilizat pentru calibrarea sondei, dar ignoră influența particulelor coloidale, ceea ce creează o incertitudine suplimentară în acuratețea metodei38,61.În mod similar, modulele elastice calculate prin potrivirea modelului de contact depind direct de geometria sondei de indentare, iar nepotrivirea dintre caracteristicile vârfului și suprafeței probei poate duce la inexactități27, 65, 66, 67, 68. Unele lucrări recente ale lui Spencer și colab.Sunt evidențiați factorii care ar trebui luați în considerare la caracterizarea periilor moi polimerice folosind metoda de nanoindentare CP-AFM.Ei au raportat că reținerea unui fluid vâscos în periile polimerice în funcție de viteză are ca rezultat o creștere a încărcării capului și, prin urmare, măsurători diferite ale proprietăților dependente de viteză30,69,70,71.
În acest studiu, am caracterizat modulul de suprafață al materialului ultra-moale, foarte elastic, lehfilcon A CL, folosind o metodă de nanoindentare AFM modificată.Având în vedere proprietățile și noua structură a acestui material, gama de sensibilitate a metodei tradiționale de indentare este în mod clar insuficientă pentru a caracteriza modulul acestui material extrem de moale, de aceea este necesară utilizarea unei metode de nanoindentare AFM cu sensibilitate mai mare și sensibilitate mai mică.nivel.După ce am analizat deficiențele și problemele tehnicilor existente de nanoindentare a sondei coloidale AFM, arătăm de ce am ales o sondă AFM mai mică, proiectată la comandă, pentru a elimina sensibilitatea, zgomotul de fond, punctul de contact punctual, măsurarea modulului de viteză al materialelor moi eterogene, cum ar fi retenția de fluide. dependenţă.și cuantificare precisă.În plus, am putut măsura cu precizie forma și dimensiunile vârfului de indentare, permițându-ne să folosim modelul de potrivire con-sferă pentru a determina modulul de elasticitate fără a evalua zona de contact a vârfului cu materialul.Cele două ipoteze implicite care sunt cuantificate în această lucrare sunt proprietățile materialului complet elastic și modulul independent de adâncimea indentării.Folosind această metodă, am testat mai întâi standarde ultra-moale cu un modul cunoscut pentru a cuantifica metoda, apoi am folosit această metodă pentru a caracteriza suprafețele a două materiale diferite pentru lentile de contact.Această metodă de caracterizare a suprafețelor de nanoindentare AFM cu sensibilitate crescută este de așteptat să fie aplicabilă unei game largi de materiale ultramoale eterogene biomimetice cu potențială utilizare în dispozitive medicale și aplicații biomedicale.
Pentru experimentele de nanoindentare au fost alese lentilele de contact Lehfilcon A (Alcon, Fort Worth, Texas, SUA) și substraturile lor de hidrogel siliconic.În experiment a fost folosită o montură special concepută pentru obiectiv.Pentru a instala lentila pentru testare, aceasta a fost așezată cu grijă pe suportul în formă de cupolă, asigurându-vă că nu pătrund bule de aer înăuntru și apoi fixată cu marginile.O gaură în dispozitivul de fixare din partea superioară a suportului lentilei oferă acces la centrul optic al lentilei pentru experimente de nanoindentare în timp ce ține lichidul pe loc.Acest lucru menține lentilele complet hidratate.S-au folosit 500 μl de soluție de ambalare a lentilelor de contact ca soluție de testare.Pentru a verifica rezultatele cantitative, au fost preparate hidrogeluri de poliacrilamidă neactivată (PAAM) disponibile comercial dintr-o compoziție de poliacrilamidă-co-metilen-bisacrilamidă (cube Petrisoft Petri de 100 mm, Matrigen, Irvine, CA, SUA), un modul elastic cunoscut de 1. kPa.Utilizați 4-5 picături (aproximativ 125 µl) de soluție salină tamponată cu fosfat (PBS de la Corning Life Sciences, Tewkesbury, MA, SUA) și 1 picătură de soluție pentru lentile de contact OPTI-FREE Puremoist (Alcon, Vaud, TX, SUA).) la interfața hidrogel-sondă AFM.
Probele de substraturi Lehfilcon A CL și SiHy au fost vizualizate utilizând un sistem de microscop electronic cu scanare cu emisie de câmp FEI Quanta 250 (FEG SEM) echipat cu un detector cu microscop electronic cu transmisie cu scanare (STEM).Pentru a pregăti probele, lentilele au fost mai întâi spălate cu apă și tăiate în felii în formă de plăcintă.Pentru a obține un contrast diferențial între componentele hidrofile și hidrofobe ale probelor, a fost utilizată ca colorant o soluție stabilizată de RuO4 0,10%, în care probele au fost scufundate timp de 30 de minute.Colorarea lehfilcon A CL RuO4 este importantă nu numai pentru a obține un contrast diferențial îmbunătățit, dar ajută și la păstrarea structurii pensulelor polimerice ramificate în forma lor originală, care sunt apoi vizibile pe imaginile STEM.Au fost apoi spălate și deshidratate într-o serie de amestecuri etanol/apă cu concentrație crescândă de etanol.Probele au fost apoi turnate cu epoxidic EMBed 812/Araldite, care s-a întărit peste noapte la 70°C.Blocurile de probă obținute prin polimerizarea rășinii au fost tăiate cu un ultramicrotom, iar secțiunile subțiri rezultate au fost vizualizate cu un detector STEM în modul vid scăzut la o tensiune de accelerare de 30 kV.Același sistem SEM a fost utilizat pentru caracterizarea detaliată a sondei PFQNM-LC-A-CAL AFM (Bruker Nano, Santa Barbara, CA, SUA).Imaginile SEM ale sondei AFM au fost obținute într-un mod tipic de vid înalt, cu o tensiune de accelerare de 30 kV.Obțineți imagini în diferite unghiuri și măriri pentru a înregistra toate detaliile formei și dimensiunii vârfului sondei AFM.Toate dimensiunile vârfului de interes din imagini au fost măsurate digital.
Un microscop cu forță atomică Dimension FastScan Bio Icon (Bruker Nano, Santa Barbara, CA, SUA) cu modul „PeakForce QNM în fluid” a fost utilizat pentru a vizualiza și nanoindenta lehfilcon A CL, substrat SiHy și probe de hidrogel PAAm.Pentru experimentele de imagistică, a fost utilizată o sondă PEAKFORCE-HIRS-FA (Bruker) cu o rază nominală a vârfului de 1 nm pentru a captura imagini de înaltă rezoluție ale probei la o rată de scanare de 0,50 Hz.Toate imaginile au fost luate în soluție apoasă.
Experimentele de nanoindentare AFM au fost efectuate folosind o sondă PFQNM-LC-A-CAL (Bruker).Sonda AFM are un vârf de siliciu pe un cantilever cu nitrură de 345 nm grosime, 54 µm lungime și 4,5 µm lățime, cu o frecvență de rezonanță de 45 kHz.Este conceput special pentru a caracteriza și efectua măsurători nanomecanice cantitative pe probe biologice moi.Senzorii sunt calibrați individual din fabrică cu setări de arc pre-calibrate.Constantele elastice ale sondelor utilizate în acest studiu au fost în intervalul 0,05-0,1 N/m.Pentru a determina cu precizie forma și dimensiunea vârfului, sonda a fost caracterizată în detaliu folosind SEM.Pe fig.Figura 1a prezintă o micrografie electronică cu scanare de înaltă rezoluție, cu mărire redusă a sondei PFQNM-LC-A-CAL, oferind o vedere holistică a designului sondei.Pe fig.1b prezintă o vedere mărită a vârfului sondei, oferind informații despre forma și dimensiunea vârfului.La capătul extrem, acul este o emisferă de aproximativ 140 nm în diametru (Fig. 1c).Sub aceasta, vârful se îngustează într-o formă conică, atingând o lungime măsurată de aproximativ 500 nm.În afara regiunii de conicitate, vârful este cilindric și se termină cu o lungime totală a vârfului de 1,18 µm.Aceasta este partea funcțională principală a vârfului sondei.În plus, o sondă sferică mare din polistiren (PS) (Novascan Technologies, Inc., Boone, Iowa, SUA) cu un diametru de vârf de 45 um și o constantă a arcului de 2 N/m a fost, de asemenea, utilizată pentru testare ca sondă coloidală.cu sonda PFQNM-LC-A-CAL 140 nm pentru comparație.
S-a raportat că lichidul poate fi prins între sonda AFM și structura periei polimerice în timpul nanoindentării, care va exercita o forță ascendentă asupra sondei AFM înainte ca aceasta să atingă suprafața69.Acest efect de extrudare vâscos datorat retenției de fluid poate modifica punctul aparent de contact, afectând astfel măsurătorile modulului de suprafață.Pentru a studia efectul geometriei sondei și al vitezei de indentare asupra retenției fluidului, au fost trasate curbele forței de indentare pentru probele lehfilcon A CL folosind o sondă cu diametrul de 140 nm la viteze constante de deplasare de 1 µm/s și 2 µm/s.diametrul sondei 45 µm, setare de forță fixă ​​6 nN realizată la 1 µm/s.Experimentele cu o sondă de 140 nm în diametru au fost efectuate la o viteză de indentare de 1 µm/s și o forță stabilită de 300 pN, aleasă pentru a crea o presiune de contact în intervalul fiziologic (1-8 kPa) al pleoapei superioare.presiune 72. Probe moi gata preparate de hidrogel PAA cu o presiune de 1 kPa au fost testate pentru o forță de indentare de 50 pN la o viteză de 1 μm/s folosind o sondă cu un diametru de 140 nm.
Deoarece lungimea părții conice a vârfului sondei PFQNM-LC-A-CAL este de aproximativ 500 nm, pentru orice adâncime de indentare < 500 nm se poate presupune cu siguranță că geometria sondei în timpul indentării va rămâne fidelă acesteia. formă de con.În plus, se presupune că suprafața materialului testat va prezenta un răspuns elastic reversibil, ceea ce va fi confirmat și în următoarele secțiuni.Prin urmare, în funcție de forma și dimensiunea vârfului, am ales modelul de potrivire con-sferă dezvoltat de Briscoe, Sebastian și Adams, care este disponibil în software-ul furnizorului, pentru a procesa experimentele noastre de nanoindentare AFM (NanoScope).Software de analiză a datelor de separare, Bruker) 73. Modelul descrie relația forță-deplasare F(δ) pentru un con cu un defect de vârf sferic.Pe fig.Figura 2 prezintă geometria contactului în timpul interacțiunii unui con rigid cu un vârf sferic, unde R este raza vârfului sferic, a este raza de contact, b este raza de contact la capătul vârfului sferic, δ este raza de contact.adâncimea indentării, θ este jumătatea unghiului conului.Imaginea SEM a acestei sonde arată clar că vârful sferic cu diametrul de 140 nm se îmbină tangențial într-un con, deci aici b este definit doar prin R, adică b = R cos θ.Software-ul furnizat de furnizor oferă o relație con-sferă pentru a calcula valorile modulului Young (E) din datele de separare a forței presupunând a > b.Relaţie:
unde F este forța de indentare, E este modulul lui Young, ν este raportul lui Poisson.Raza de contact a poate fi estimată folosind:
Schema geometriei de contact a unui con rigid cu un vârf sferic presat în materialul unei lentile de contact Lefilcon cu un strat de suprafață de perii polimerice ramificate.
Dacă a ≤ b, relația se reduce la ecuația pentru un indentor sferic convențional;
Credem că interacțiunea sondei de indentare cu structura ramificată a periei polimerice PMPC va face ca raza de contact a să fie mai mare decât raza de contact sferică b.Prin urmare, pentru toate măsurătorile cantitative ale modulului elastic efectuate în acest studiu, am folosit dependența obținută pentru cazul a > b.
Materialele biomimetice ultra-moale studiate în acest studiu au fost imagini cuprinzătoare folosind microscopia electronică cu transmisie de scanare (STEM) a secțiunii transversale a probei și microscopia cu forță atomică (AFM) a suprafeței.Această caracterizare detaliată a suprafeței a fost realizată ca o extensie a lucrării noastre publicate anterior, în care am stabilit că structura periei polimerice ramificate dinamic a suprafeței lehfilcon A CL modificată cu PMPC a prezentat proprietăți mecanice similare cu țesutul corneean nativ 14 .Din acest motiv, ne referim la suprafețele lentilelor de contact drept materiale biomimetice14.Pe fig.3a, b prezintă secțiuni transversale ale structurilor de perie polimerică PMPC ramificată pe suprafața unui substrat lehfilcon A CL și, respectiv, a unui substrat SiHy netratat.Suprafețele ambelor probe au fost analizate în continuare folosind imagini AFM de înaltă rezoluție, care au confirmat în continuare rezultatele analizei STEM (Fig. 3c, d).Luate împreună, aceste imagini oferă o lungime aproximativă a structurii periei polimerice ramificate PMPC la 300-400 nm, ceea ce este critic pentru interpretarea măsurătorilor de nanoindentare AFM.O altă observație cheie derivată din imagini este că structura de suprafață generală a materialului biomimetic CL este morfologic diferită de cea a materialului substrat SiHy.Această diferență în morfologia suprafeței lor poate deveni evidentă în timpul interacțiunii lor mecanice cu sonda AFM de indentare și, ulterior, în valorile modulului măsurat.
Imagini STEM în secțiune transversală ale (a) lehfilcon A CL și (b) substrat SiHy.Bară de scară, 500 nm.Imagini AFM ale suprafeței substratului lehfilcon A CL (c) și substratului de bază SiHy (d) (3 µm × 3 µm).
Polimerii bioinspirați și structurile periei polimerice sunt în mod inerent moi și au fost studiate și utilizate pe scară largă în diverse aplicații biomedicale74,75,76,77.Prin urmare, este important să se utilizeze metoda de nanoindentare AFM, care le poate măsura cu precizie și fiabil proprietățile mecanice.Dar, în același timp, proprietățile unice ale acestor materiale ultra-moale, cum ar fi modulul elastic extrem de scăzut, conținutul ridicat de lichid și elasticitatea ridicată, fac adesea dificilă alegerea materialului potrivit, a formei și a formei sondei de indentare.mărimea.Acest lucru este important pentru ca indentatorul să nu străpungă suprafața moale a probei, ceea ce ar duce la erori în determinarea punctului de contact cu suprafața și a zonei de contact.
Pentru aceasta, o înțelegere cuprinzătoare a morfologiei materialelor biomimetice ultra-moale (lehfilcon A CL) este esențială.Informațiile despre dimensiunea și structura pensulelor polimerice ramificate obținute prin metoda imagistică oferă baza pentru caracterizarea mecanică a suprafeței folosind tehnici de nanoindentare AFM.În locul sondelor coloidale sferice de dimensiuni micron, am ales sonda cu nitrură de siliciu PFQNM-LC-A-CAL (Bruker) cu diametrul vârfului de 140 nm, special concepută pentru cartografierea cantitativă a proprietăților mecanice ale probelor biologice 78, 79, 80. , 81, 82, 83, 84 Motivul utilizării sondelor relativ ascuțite în comparație cu sondele coloidale convenționale poate fi explicat prin caracteristicile structurale ale materialului.Comparând dimensiunea vârfului sondei (~140 nm) cu periile polimerice ramificate de pe suprafața CL lehfilcon A, prezentate în Fig. 3a, se poate concluziona că vârful este suficient de mare pentru a intra în contact direct cu aceste structuri de perie, care reduce șansa ca vârful să le străpungă.Pentru a ilustra acest punct, în Fig. 4 este o imagine STEM a lehfilcon A CL și vârful indentat al sondei AFM (desenat la scară).
Schemă care arată imaginea STEM a lehfilcon A CL și a unei sonde de indentare ACM (desenată la scară).
În plus, dimensiunea vârfului de 140 nm este suficient de mică pentru a evita riscul oricăruia dintre efectele de extrudare lipicioase raportate anterior pentru periile polimerice produse prin metoda de nanoindentare CP-AFM69,71.Presupunem că, datorită formei speciale de con-sferic și dimensiunii relativ mici a acestui vârf AFM (Fig. 1), natura curbei de forță generată de nanoindentarea lehfilcon A CL nu va depinde de viteza de indentare sau de viteza de încărcare/descărcare. .Prin urmare, nu este afectat de efectele poroelastice.Pentru a testa această ipoteză, probele de lehfilcon A CL au fost indentate la o forță maximă fixă ​​folosind o sondă PFQNM-LC-A-CAL, dar la două viteze diferite, iar curbele de forță de tracțiune și retragere rezultate au fost utilizate pentru a reprezenta graficul forței (nN) în separare (µm) este prezentat în Figura 5a.Este clar că curbele de forță în timpul încărcării și descărcării se suprapun complet și nu există dovezi clare că forța de forfecare la adâncimea de adâncime zero crește odată cu viteza de indentare din figură, ceea ce sugerează că elementele individuale ale periei au fost caracterizate fără efect poroelastic.În schimb, efectele de retenție a fluidului (extrudarea vâscoasă și efectele de poroelasticitate) sunt evidente pentru sonda AFM cu diametrul de 45 µm la aceeași viteză de indentare și sunt evidențiate de histerezisul dintre curbele de întindere și retragere, așa cum se arată în Figura 5b.Aceste rezultate susțin ipoteza și sugerează că sondele cu diametrul de 140 nm sunt o alegere bună pentru caracterizarea unor astfel de suprafețe moi.
curbele forței de indentare lehfilcon A CL folosind ACM;(a) utilizarea unei sonde cu un diametru de 140 nm la două viteze de încărcare, demonstrând absența unui efect poroelastic în timpul indentării suprafeței;(b) folosind sonde cu un diametru de 45 µm și 140 nm.s arată efectele extrudării vâscoase și poroelasticității pentru sondele mari în comparație cu sondele mai mici.
Pentru a caracteriza suprafețele ultramoale, metodele de nanoindentare AFM trebuie să aibă cea mai bună sondă pentru a studia proprietățile materialului studiat.Pe lângă forma și dimensiunea vârfului, sensibilitatea sistemului detector AFM, sensibilitatea la deformarea vârfului în mediul de testare și rigiditatea în consolă joacă un rol important în determinarea acurateței și fiabilității nanoindentării.măsurători.Pentru sistemul nostru AFM, limita de detecție a detectorului sensibil la poziție (PSD) este de aproximativ 0,5 mV și se bazează pe rata arcului pre-calibrată și pe sensibilitatea calculată la deviația fluidului a sondei PFQNM-LC-A-CAL, care corespunde cu sensibilitatea teoretică la sarcină.este mai mică de 0,1 pN.Prin urmare, această metodă permite măsurarea unei forțe minime de indentare ≤ 0,1 pN fără nicio componentă de zgomot periferic.Cu toate acestea, este aproape imposibil ca un sistem AFM să reducă zgomotul periferic la acest nivel din cauza unor factori precum vibrațiile mecanice și dinamica fluidelor.Acești factori limitează sensibilitatea generală a metodei de nanodentație AFM și au ca rezultat, de asemenea, un semnal de zgomot de fond de aproximativ ≤ 10 pN.Pentru caracterizarea suprafeței, probele de substrat lehfilcon A CL și SiHy au fost indentate în condiții complet hidratate folosind o sondă de 140 nm pentru caracterizarea SEM, iar curbele de forță rezultate au fost suprapuse între forță (pN) și presiune.Graficul de separare (µm) este prezentat în Figura 6a.În comparație cu substratul de bază SiHy, curba forței lehfilcon A CL arată în mod clar o fază de tranziție care începe la punctul de contact cu peria polimerică bifurcată și se termină cu o schimbare bruscă a contactului de marcare a pantei vârfului cu materialul de dedesubt.Această parte de tranziție a curbei de forță evidențiază comportamentul cu adevărat elastic al periei polimerice ramificate pe suprafață, așa cum evidențiază curba de compresie care urmează îndeaproape curba de tensiune și contrastul în proprietățile mecanice dintre structura periei și materialul voluminos SiHy.Când se compară lefilconul.Separarea lungimii medii a unei perii de polimer ramificat în imaginea STEM a PCS (Fig. 3a) și curba de forță de-a lungul abscisei din Fig. 3a.6a arată că metoda este capabilă să detecteze vârful și polimerul ramificat ajungând chiar în vârful suprafeței.Contactul dintre structurile periei.În plus, suprapunerea strânsă a curbelor de forță indică nici un efect de retenție a lichidului.În acest caz, nu există absolut nicio aderență între ac și suprafața probei.Secțiunile cele mai superioare ale curbelor de forță pentru cele două eșantioane se suprapun, reflectând similitudinea proprietăților mecanice ale materialelor substratului.
(a) Curbe de forță de nanoindentație AFM pentru substraturi lehfilcon A CL și substraturi SiHy, (b) curbe de forță care arată estimarea punctului de contact folosind metoda pragului de zgomot de fond.
Pentru a studia detaliile mai fine ale curbei de forță, curba de tensiune a probei lehfilcon A CL este retrasată în Fig. 6b cu o forță maximă de 50 pN de-a lungul axei y.Acest grafic oferă informații importante despre zgomotul de fundal original.Zgomotul este în intervalul ±10 pN, care este folosit pentru a determina cu precizie punctul de contact și pentru a calcula adâncimea adâncimii.După cum se raportează în literatura de specialitate, identificarea punctelor de contact este critică pentru a evalua cu precizie proprietățile materialelor, cum ar fi modulus85.O abordare care implică procesarea automată a datelor curbei de forță a arătat o potrivire îmbunătățită între potrivirea datelor și măsurătorile cantitative pentru materiale moi86.În această lucrare, alegerea noastră a punctelor de contact este relativ simplă și obiectivă, dar are limitările sale.Abordarea noastră conservatoare pentru determinarea punctului de contact poate duce la valori ușor supraestimate ale modulului pentru adâncimi de indentare mai mici (< 100 nm).Utilizarea detectării punctelor de contact bazate pe algoritm și a procesării automate a datelor ar putea fi o continuare a acestei lucrări în viitor pentru a îmbunătăți în continuare metoda noastră.Astfel, pentru zgomotul de fond intrinsec de ordinul a ±10 pN, definim punctul de contact ca primul punct de date pe axa x din Figura 6b cu o valoare de ≥10 pN.Apoi, în conformitate cu pragul de zgomot de 10 pN, o linie verticală la nivelul de ~ 0,27 µm marchează punctul de contact cu suprafața, după care curba de întindere continuă până când substratul atinge adâncimea de indentare de ~ 270 nm.Interesant, pe baza dimensiunii caracteristicilor periei polimerice ramificate (300–400 nm) măsurate folosind metoda imagistică, adâncimea de indentare a eșantionului CL lehfilcon A observată folosind metoda pragului de zgomot de fond este de aproximativ 270 nm, ceea ce este foarte aproape de dimensiunea de măsurare cu STEM.Aceste rezultate confirmă și mai mult compatibilitatea și aplicabilitatea formei și dimensiunii vârfului sondei AFM pentru indentarea acestei structuri de perie polimerică ramificată foarte moale și foarte elastică.Aceste date oferă, de asemenea, dovezi puternice care susțin metoda noastră de utilizare a zgomotului de fond ca prag pentru identificarea punctelor de contact.Astfel, orice rezultate cantitative obținute din modelarea matematică și ajustarea curbei forței ar trebui să fie relativ precise.
Măsurătorile cantitative prin metodele de nanoindentare AFM sunt complet dependente de modelele matematice utilizate pentru selectarea datelor și analiza ulterioară.Prin urmare, este important să luați în considerare toți factorii legați de alegerea indentorului, proprietățile materialului și mecanica interacțiunii lor înainte de a alege un anumit model.În acest caz, geometria vârfului a fost caracterizată cu atenție folosind micrografii SEM (Fig. 1), iar pe baza rezultatelor, sonda de nanoindentare AFM cu diametrul de 140 nm cu un con dur și geometria vârfului sferic este o alegere bună pentru caracterizarea probelor lehfilcon A CL79 .Un alt factor important care trebuie evaluat cu atenție este elasticitatea materialului polimeric testat.Deși datele inițiale ale nanodentației (Fig. 5a și 6a) conturează în mod clar caracteristicile suprapunerii curbelor de tensiune și compresie, adică recuperarea elastică completă a materialului, este extrem de important să se confirme natura pur elastică a contactelor. .În acest scop, au fost efectuate două indentări succesive în aceeași locație pe suprafața probei lehfilcon A CL la o rată de indentare de 1 µm/s în condiții de hidratare completă.Datele rezultate din curba forței sunt prezentate în fig.7 și, așa cum era de așteptat, curbele de dilatare și compresie ale celor două imprimeuri sunt aproape identice, evidențiind elasticitatea ridicată a structurii pensulei polimerice ramificate.
Două curbe de forță de indentare în aceeași locație pe suprafața lehfilcon A CL indică elasticitatea ideală a suprafeței lentilei.
Pe baza informațiilor obținute din imaginile SEM și STEM ale vârfului sondei și, respectiv, ale suprafeței lehfilcon A CL, modelul con-sferă este o reprezentare matematică rezonabilă a interacțiunii dintre vârful sondei AFM și materialul polimer moale testat.În plus, pentru acest model con-sferă, ipotezele fundamentale despre proprietățile elastice ale materialului imprimat sunt valabile pentru acest nou material biomimetic și sunt folosite pentru a cuantifica modulul elastic.
După o evaluare completă a metodei de nanoindentare AFM și a componentelor sale, inclusiv proprietățile sondei de indentare (forma, dimensiunea și rigiditatea arcului), sensibilitatea (zgomotul de fond și estimarea punctului de contact) și modelele de potrivire a datelor (măsurători cantitative ale modulului), metoda a fost folosit.caracteriza probele ultra-moale disponibile comercial pentru a verifica rezultatele cantitative.Un hidrogel comercial de poliacrilamidă (PAAM) cu un modul elastic de 1 kPa a fost testat în condiții de hidratare folosind o sondă de 140 nm.Detalii despre testarea modulului și calculele sunt furnizate în Informații suplimentare.Rezultatele au arătat că modulul mediu măsurat a fost de 0,92 kPa, iar %RSD și abaterea procentuală (%) de la modulul cunoscut au fost mai mici de 10%.Aceste rezultate confirmă acuratețea și reproductibilitatea metodei de nanoindentare AFM utilizată în această lucrare pentru a măsura modulele materialelor ultramoale.Suprafețele probelor lehfilcon A CL și substratul de bază SiHy au fost caracterizate în continuare utilizând aceeași metodă de nanoindentație AFM pentru a studia modulul de contact aparent al suprafeței ultramoale în funcție de adâncimea indentării.Curbele de separare a forței de indentare au fost generate pentru trei specimene de fiecare tip (n = 3; o indentare per specimen) la o forță de 300 pN, o viteză de 1 µm/s și hidratare completă.Curba de împărțire a forței de indentare a fost aproximată folosind un model con-sferă.Pentru a obține un modul în funcție de adâncimea adâncimii, a fost setată o porțiune lățime de 40 nm a curbei de forță la fiecare pas de 20 nm începând de la punctul de contact și s-au măsurat valorile modulului la fiecare pas al curbei de forță.Spin Cy și colab.O abordare similară a fost utilizată pentru a caracteriza gradientul de modul al periilor polimerice de poli(lauril metacrilat) (P12MA) folosind nanoindentarea sondei coloidale AFM și sunt în concordanță cu datele folosind modelul de contact Hertz.Această abordare oferă o diagramă a modulului de contact aparent (kPa) în funcție de adâncimea de adâncime (nm), așa cum se arată în Figura 8, care ilustrează modulul de contact aparent/gradientul de adâncime.Modulul de elasticitate calculat al probei CL lehfilcon A este în intervalul 2-3 kPa în cei 100 nm superiori ai probei, dincolo de care începe să crească odată cu adâncimea.Pe de altă parte, atunci când se testează substratul de bază SiHy fără o peliculă asemănătoare unei pensule pe suprafață, adâncimea maximă de indentare realizată la o forță de 300 pN este mai mică de 50 nm, iar valoarea modulului obținută din date este de aproximativ 400 kPa , care este comparabil cu valorile modulului Young pentru materialele vrac.
Modulul de contact aparent (kPa) față de adâncimea de indentare (nm) pentru substraturile lehfilcon A CL și SiHy folosind metoda de nanoindentare AFM cu geometrie con-sferă pentru a măsura modulul.
Suprafața superioară a noii structuri de perie polimerică ramificată biomimetică prezintă un modul de elasticitate extrem de scăzut (2-3 kPa).Aceasta se va potrivi cu capătul liber agățat al periei polimerice furcate, așa cum se arată în imaginea STEM.Deși există unele dovezi ale unui gradient de modul la marginea exterioară a CL, principalul substrat cu modul înalt este mai influent.Cu toate acestea, cei 100 nm de sus ai suprafeței se află la 20% din lungimea totală a periei polimerice ramificate, deci este rezonabil să presupunem că valorile măsurate ale modulului în acest interval de adâncime a adâncimii sunt relativ precise și nu sunt puternice. depinde de efectul obiectului de jos.
Datorită designului biomimetic unic al lentilelor de contact lehfilcon A, constând din structuri de perii polimerice ramificate, grefate pe suprafața substraturilor SiHy, este foarte dificil să se caracterizeze în mod fiabil proprietățile mecanice ale structurilor lor de suprafață folosind metode tradiționale de măsurare.Vă prezentăm aici o metodă avansată de nanoindentare AFM pentru caracterizarea cu acuratețe a materialelor ultra-moale, cum ar fi lefilcon A, cu conținut ridicat de apă și elasticitate extrem de ridicată.Această metodă se bazează pe utilizarea unei sonde AFM a cărei dimensiune și geometrie vârfului sunt alese cu grijă pentru a se potrivi cu dimensiunile structurale ale caracteristicilor suprafeței ultra-moale care urmează să fie imprimate.Această combinație de dimensiuni între sondă și structură oferă o sensibilitate crescută, permițându-ne să măsurăm modulul scăzut și proprietățile elastice inerente ale elementelor de perie polimerică ramificată, indiferent de efectele poroelastice.Rezultatele au arătat că periile unice din polimer PMPC ramificate, caracteristice suprafeței lentilei, au un modul elastic extrem de scăzut (până la 2 kPa) și o elasticitate foarte mare (aproape 100%) atunci când au fost testate în mediu apos.Rezultatele nanoindentării AFM ne-au permis, de asemenea, să caracterizăm modulul de contact aparent/gradientul de adâncime (30 kPa/200 nm) al suprafeței lentilei biomimetice.Acest gradient se poate datora diferenței de modul dintre periile de polimer ramificat și substratul SiHy, sau structurii/densității ramificate a periilor de polimer sau unei combinații a acestora.Cu toate acestea, sunt necesare studii suplimentare aprofundate pentru a înțelege pe deplin relația dintre structură și proprietăți, în special efectul ramificării periei asupra proprietăților mecanice.Măsurătorile similare pot ajuta la caracterizarea proprietăților mecanice ale suprafeței altor materiale ultra-moale și dispozitive medicale.
Seturile de date generate și/sau analizate în timpul studiului curent sunt disponibile de la autorii respectivi la cerere rezonabilă.
Rahmati, M., Silva, EA, Reseland, JE, Hayward, K. și Haugen, HJ Reacții biologice la proprietățile fizice și chimice ale suprafețelor biomaterialelor.Chimic.societate.Ed.49, 5178–5224 (2020).
Chen, FM și Liu, X. Îmbunătățirea biomaterialelor derivate din om pentru ingineria țesuturilor.programare.polimer.știința.53, 86 (2016).
Sadtler, K. şi colab.Proiectarea, implementarea clinică și răspunsul imun al biomaterialelor în medicina regenerativă.National Matt Rev. 1, 16040 (2016).
Oliver WK și Farr GM O metodă îmbunătățită pentru determinarea durității și a modulului de elasticitate folosind experimente de indentare cu măsurători de sarcină și deplasare.J. Alma mater.rezervor de stocare.7, 1564–1583 (2011).
Wally, SM Originile istorice ale testării durității indentării.Alma Mater.știința.tehnologii.28, 1028–1044 (2012).
Broitman, E. Măsurători de duritate a indentării la scară macro, micro și nanometrică: o revizuire critică.trib.Wright.65, 1–18 (2017).
Kaufman, JD și Clapperich, SM Erorile de detectare a suprafeței duc la supraestimarea modulului în nanoindentarea materialelor moi.J. Mecha.Comportament.Stiinta biomedicala.Alma Mater.2, 312–317 (2009).
Karimzade A., Koloor SSR, Ayatollakhi MR, Bushroa AR și Yahya M.Yu.Evaluarea metodei de nanoindentare pentru determinarea caracteristicilor mecanice ale nanocompozitelor eterogene prin metode experimentale și de calcul.știința.Casa 9, 15763 (2019).
Liu, K., VanLendingham, MR și Owart, TS Caracterizarea mecanică a gelurilor viscoelastice moi prin indentare și analiza cu elemente finite inverse bazată pe optimizare.J. Mecha.Comportament.Stiinta biomedicala.Alma Mater.2, 355–363 (2009).
Andrews JW, Bowen J și Chaneler D. Optimizarea determinării viscoelasticității folosind sisteme de măsurare compatibile.Soft Matter 9, 5581–5593 (2013).
Briscoe, BJ, Fiori, L. și Pellillo, E. Nanoindentation of polymeric surfaces.J. Fizica.D. Aplicați pentru fizică.31, 2395 (1998).
Miyailovich AS, Tsin B., Fortunato D. și Van Vliet KJ Caracterizarea proprietăților mecanice vâscoelastice ale polimerilor foarte elastici și țesuturilor biologice folosind indentarea șocului.Jurnalul de Biomateriale.71, 388–397 (2018).
Perepelkin NV, Kovalev AE, Gorb SN, Borodich FM Evaluarea modulului elastic și a aderenței materialelor moi folosind metoda extinsă Borodich-Galanov (BG) și indentarea adâncă.blană.Alma Mater.129, 198–213 (2019).
Shi, X. şi colab.Morfologia la scară nanometrică și proprietățile mecanice ale suprafețelor polimerice biomimetice ale lentilelor de contact cu hidrogel siliconic.Langmuir 37, 13961–13967 (2021).